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8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h ge-
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kennzeichnet, daß die Arbeitswelle (2) drehstarr an die Welle der
Antriebseinheit (5a) großer Leistung angeschlossen ist (Fig.7).
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und auf Antriebsvorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Bedingt durch den Betriebsablauf insbesondere in Sägewerken entsteht
bei bestimmten Maschinen nach jedem bearbeiteten Werkstück eine Leerzeit e die sich
aus der Wartezeit zum nächsten Werkstück und der Zeit zum Ausrichten des Werkstückes
zusammensetzt.
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Dies ist beispielsweise bei der Kombination von Gattersäge mit Nachschnittkreissäge
der Fall, weil die Vorschubgeschwindigkeit der Nachschnittkreissäge meist wesentlich
höher liegen muß, als diejenige des Gatters. Weitere Beispiele sind der Betrieb
von Bandsägen, Doppelbesäumern und Zerhackern.
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Bei den bisherigen Maschinen sind die elektrischen Antriebsmotoren
für die maximal den Werkzeugen abverlangte Leistung ausgelegt und geben während
der Wartezeit nur ihre Leerlaufleistung ab. Abgesehen von der geringen Ausnutzung
der Motoren führt dies besonders bei großen Leistungen zu einer sehr ungleichmäßigen
Netzbelastung mit sehr hoher Maxilnallasta die sich in den Bereitstellungskosten
für elektrische Energie niederschlagen kann. Um nun diese dem Netz entnommene Maximallast
möglichst gering zu halten und eine gewisse Vergleichmäßigung zu erreichen, wählt
man die Geschwindigkeit des Materialvorschubs in der Holzbarbeitungsmaschine bisher
nur so groß, wie dies
dies für ein einwandfreies Arbeiten der Werkzeuge
nötig war und blieb erheblich unterhalb des Wertes, der einen optimalen Wirkungsgrad
von der Arbeitswelle zugeführter Leistung zu von den Werkzeugen erbrachter Schnittleistung
ergibt. Man erreichte darnit ein relativ hohes Verhältnis von Schnittphase zu Schnittpause
und mit eine relativ niedrige Maximallast zum Netz hin.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß bei gegenüber dem bekannten Vorgehen
noch geringerer Maximallast überdies mit optimalem Wirkungsgrad, also geringst möglicher
Leistungsaufnahme aus dem Nezt im Verhältnis zu der an den Werkzeugen abgegebenen
Leistung, gearbeitet werden kann.
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Die vorstehende Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale einwandfrei gelöst.
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Bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 wird ein Teil der von den
Bearbeitungswerkzeugen benötigten Energie dem Schwungrad entnommen und diesem während
der Bearbeitungspause wieder zugeführt. Dadurch können selbst bei hoher, im optimalen
Bereich liegender Vorschubgeschwindigkeit Elektromotoren mit wesentlich kleinerer
Leistung als bisher eingesetzt werden, wobei nicht nur die maximale Beaufschlagung
des Netzes wesentlich herabgesetzt wird, sondern für eine vergleichsweise gleiche
Energieab gabe an die Werkzeuge weniger Energie aus dem Netz benötigt wird.
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Um mit Schwungrädern vertretbarer Größe einen genügend hohen Enerqieiustatl.ii
in dem System Dttor-Schwungrad-Arbeitswelle zu erreichen, sind Drchzahlschwankungen
notwendig, die nicht mehr mit einem normalen Drehstrommotor mit Kurzschlußläufer
realisierbar sind. Es sind deshalb Antriebsvorrichtungen notwendig, die demgegenüber
größere Drehzahlschwankungen zulassen. Die Drehzahlschkunqen müssen sich natürlich
im Rahmen der für den
den Bearbeitungsvorgang zulässigen Werte halten.
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Die Unteransprüche haben verschiedene Ausführungen von Antriebsvorrichtungen
für Holzbearbeitungsmaschinen zum Gegenstand, mit denen das Verfahren gemäß Patentanspruch
1 durchführbar ist und die die vorstehenden Voraussetzungen erfüllen.
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Die Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 2 ist besonders einfach.
Hier wird ein Motor mit "weicher" Drehmomentkennlinie verwendet, wie beispielsweise
ein Drehstrommotor mit Schleifringläufer, der Drehzahlschwankungen bis etwa 10 Prozent
der Nenndrehzahl erlaubt. Wird bei dieser Ausführung das System M otor-Schwungrad-Arbeitswelle
intermetierend belastet, dann stellt sich das in Fig. 3 der Zeichnung schematisch
dargestellte Zeitverhalten für die abgegebene Motorleistung ein.
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Etwa derselbe Effekt läßt sich auch mit der gleichermaßen einfachen
Antrxbsvorrichtung gemäß Patentanspruch 3 erreichen. Dabei ist zwischen einem Motor
mit starrer Drehzahl und dem Schwangrad eine Kupplung geschaltet, die Drehzahlunterschiede
zuläßt, beispielsweise eine hydraulische Strömungskupplung oder eine elektrische
Wirbelstromkupplung.
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Bei den beiden elektrisch ungeregelten Antriebsvorrichtungen nach
Anspruch 2 oder Anspruch 3 steigen die Verlustleistungen proportional zum Drehzahlabfall
oder Schlupf. Außerdem wird bei beiden das größte Drehmoment erst beim größten zulässigen
Schlupf erreicht. Deshalb läßt sich die zur Verfügung stehende Motorlcitung hier
noch nicht vollständig ausnutzen. Trotzdem führen auch diese Antriebsvorrichtungen
in Verbindung mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bei entsprechender Auslegung zu
einer merklichen Energieersparnis gegenüber dem bisherigen Vorgehen.
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Die Leistungsverluste durch Schlupf entfallen völlig bei den Antriebsvorrichtungen
mit Regelung gemäß den Ansprüchen 4 bis 8.
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Eine
Eine erste Ausführung dieser Art ist Gegenstand
des Patentanspruchs 4. Durch die Regelung wird bei dieser Ausführung erreicht daß
der Elektromotor während der gesamten Arbeits- und Aufladezeit ein volles Drehmoment
abgibt. Sein Wirkungsgrad ist dabei weitgehend unabhängig vom Drehzahlabfall. Das
Zeitverhalten gibt Fig. 5 wieder. Ähnlich verhält sich auch der Konstantmotor mit
stufenlos regelbarem Getriebe gemäß Patentanspruch 5. Drehzahlgeregelte Antriebsvorrichtungen'gemäß
Anspruch 4 oder Anspruch 5 sind aber sehr teuer, besonders wenn hohe Leistungen-
wie bei der Holzbearbeitung - benötigt werden.
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Hinzu kommt daß der Holzbearbeitungsvorgang die Ausnutzung des großen
möglichen Regelbereiches dieser Antriebe garnicht zuläßt.
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Die Ausführungen gemäß den Patentansprüche 6 bis 8 haben demgegenüber
einen stark eingeschränkten, wohl aber vollauf ausreichenden Regelbereich. Sie lassen
sich mit relativ geringen Kosten verwirklichen und zeichnen sich durch hohen Wirkungsgrad
hinsichtlich aufgenommener Leistung zur Leistung an der Motorwelle aus. Der Antrieb
erfolgt hier n jedem Falle mit einer Hauptantriebseinheit konstanter Drehzahl und
großer Leisttlng und einer regelbaren Etilfsantriebseillheit kleinerer Leistung,
die beide das Schwungrad über ein leistungssummierendes Getriebe, beispielsweise
ein Planetengetriebe mit Drehzahliiberlagerung r antreiben. Mit diesen Antriebsvorrichtungen
kann das in Fig. 8 der Zeichnung schematisch dargestellte Zeitverhalten für die
Motorbelastung erreicht werden.
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Bei der Ausführung nach Anspruch 7 fällt die Drehzahl der Arbeitswelle
wegen der direkten Kopplung mit dem Schwungrad wie bei den Ausführungen gemäß Patentanspruch
2 bis Padntanspruch 5 bei jedem ArbeitsspieL entsprechend der Energieentnahme aus
dem Scllwungrad ab.
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Bei
Bei der Ausführung gemäß Fig. 8 sind die Arbeitswelle
und das Schwungrad voneinander getrennte und die Arbeitswelle wird direkt von der
Motorwelle aus angetrieben. In diesem Falle kann bei gleichem Getriebeaufbau mit
konstanter Werkzeugdrehzahl gearbeitet werden. Diese Anordnung erfordert einen etwas
größeren Regelaufwand, weil sie gezieltes Bremsen (Vierquadranten-Regelung) erfordert.
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Die Zeichnung gibt die einzelnen Antriebsvorrichtungen gemäß Anspruch
2 bis Anspruch 4 und Anspruch 6 bis Anspruch 8 im Blockschema sowie Diagramme zu
deren Zeitverhalten wieder. Es zeigt: Fig.l das Blockschema zu der Antriebsvorrichtung
gemäß Anspruch 2 e Fig.2 das Blockschema zu der Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch
3, Fig. 3 das Diagramm des Zeitverhaltens der Antriebsvorrichtung ll-lCiI All'ipt
uch 2 oder Anspruch 3, Fig.4 das Blockschema zu der Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch
48 Fig.5 das Diagramm des Zeitverhaltens der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4,
Fig.6 das Blockschema zu der Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 6 in der Ausführung
nach Anspruch 7, Fig. 7 das nlockschema der Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 6
in der Ausführung nach Anspruch 8 , und Fig.8 das Diagramm des Zeitverhaltens von
Antriebsvorrichtiinqen nach Anspruch 6.
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In
In den Fig. 1, 2,4, 6 und 7 bezeichnen jeweils
die Bezugszahl 1 die Werkzeuge beispielsweise Kreissägeblätter die Bezugszahl 2
die Arbeitswelle und die Bezugszahl 3 das Schwungrad.
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Bei der Antriebsvorrichtung nach Fig. 1 ist der Elektromotor 5c ein
Drehstromotor mit Schleifringläufere der eine weiche Drehmomentkennlinie aufweist.
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Bei der Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 2 ist der Elektromotor 5a drehzahlstarr
und arbeitet auf eine abtriebsseitig Drehzahlschwankungen zulassende Kupplung 9,
die ihrerseits den Antrieb der weiteren Bauelemente besorgt.
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In Fig,3. die das Zeitverhalten der Antriebsvorrichtungen gemn Fig.l
und Fig. 2 als Diagramm zeigt, bedeuten Nn die Nennleistung des Motors, N5 die von
den Werkzeugen 1 abgegebene Leistung , N die von dem Elektromotor tatsächlich abgegebene
Leistung, n die tatsächliche Drehzahl der Arbeitswelle 2 nn die Nenndrehzahl des
Elektromotors, t5 die Schnittzeit (Arbeitsphase) und tl die Ladezeit (Arbeitspause).
Die Aufladezeit tl für das Schwungrad 3 ergibt sich aus der Forderung der Energieerhaltung
, wonach die beiden scharaffiert gezeichneten Flächen unter den beiden Leistungskurven
gleich sein müssen. Bei gleichem Verhältnis Ns Nn lassen sich Lage und Steigung
der Belastungskurve des Elektromotors durch die Größe der Schwungmassen beeinflussen.
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Bei der Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 4 ist der Motor 5b ein stufenlos
regelbarer Elektromotor, der mit Hilfe der Regelung 6,7 bei konstantem Moment betrieben
wird.
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In Fig. 5, die das Zeitverhalten der Antriebsvorrichtung gemäß Pig.
4 als Diagramm zeigt, haben die Hezeichnungen die gleiche Bedeutung wie iii Fig.
3. Während der Schnittzeit t5 wird die konstante Leistung Ns benötigt, die zum einen
Teil vom Schwungrid 3,zum anderen (N) vom Elektromotor 5b aufgebracht wird.
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Die Energie des Schwungrades 3 wird dadurch freigesetzt, daß die
die
Drehzahl des Motors entsprechend der 8elastung durch die Schnittkräfte gemäß seiner
Drehmoment - Drehzahlcharakteristik abfällt. In der darauffolgenden Aufladezeit
tL erhöht sich die Drehzahl wieder und Schwungrad 3 wird somit geladen.
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Das Zeitverhalten nach Fig. 5 gilt auch für die ntriebsvorrichtung
gemäß Anspruch 5, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Bei den Antriebsworrichtungen gemäß Fig. 6 und 7 arbeiten jeweils
zwei Elektromotoren 5 a und 8 über ein leistungssummierendes Getriebe4 auf das Schwungrad
3. Der Motor 5a ist ein Motor konstanter Drehzahl, zum Beispiel ein DrehstrommotJr
mit Kurzschlußläufer und als Hauptantriebsmotjr (z.B. mit 4/5 der gesamten motorischen
Leistung) konzipiert, während der Elektromotor 8 ein regelbarer Motor, z.B. ein
Gleichstrrjm-Nebenschlußmotor oder ein Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzwandler
ist, der als Hilfsmotor den Rest (z.B. i/5) der gesamten motorischen Leistung aufzubringen
hat. Ebenso wäre auch ein hydraulisch oder mechanisch geregelter antrieb verwendbar.
Wichtig ist nur, daß die Drehzahl des Hilfsmotors 8 durch die Regelung 6, 7 bei
konstantem Drehmoment so geregelt wird, daß der Hauptmotor 5a gut ausgenützt, aber
nicht überlastet wird.
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In Fig. 8, die das Zeituerhalten der Antriebsvorrichtungen gemäß Fig.6
oder Fig. 7 als Diagramm wiedergibt, bedeuten N n die Nennleistung des Hauptantriebsmotors
N die tatsächlich abgegebene Leistung des Hauptmotors Nr die abgegebene Leistung
des geregelten Motors beim Drehmoment M r und M n das Drehmoment des Hauptantriebsmotors.